Комплексная плазма весьма популярна у экспериментаторов, поскольку во многих случаях можно наблюдать предмет исследования буквально невооруженным глазом. Например, постоянная решетки типичного двумерного плазменного кристалла (с диаметром около 5 см) составляет примерно 0,5 мм. Это позволяет достаточно легко записывать процессы, происходящие в таких системах, на обычную видеокамеру, и отслеживать положение отдельных частиц в каждом кадре. Знание координат частиц как функций времени обеспечивает полное кинетическое описание плазменного кристалла. Благодаря этому, появляется возможность определения любых характеристик системы из первых принципов, и их сравнения с существующими теориями.

 В данный момент, существует множество направлений, в которых ведутся исследования комплексной плазмы. В своей лекции, я сконцентрируюсь на следующих интересных темах:

Динамика атомов в жидкостях. Комплексная плазма широко используется в качестве модельной системы для изучения жидкостей на уровне отдельных «атомов». Было проведено много экспериментов по измерению коэффициентов вязкости, теплопроводности, и диффузии. Тем не менее, на несколько фундаментальных вопросов до сих пор не было получено ясного ответа. В качестве примеров можно назвать реологические свойства жидкостей (зависимость вязкости от скорость сдвига), пределы применимости гидродинамики на малых масштабах, температурная зависимость теплопроводности вблизи линии плавления, теплопроводность двумерных систем в термодинамическом пределе. Еще одной интересной темой являются микроскопическая динамика переохлажденных жидкостей.

 Линейные и нелинейные волны. Линейные свойства новых типов волн, возникающих в комплексной плазме благодаря присутствию заряженных микрочастиц, вполне хорошо исследованы. Однако, экспериментальное изучение нелинейных свойств, а также взаимодействия волна-частица (затухание Ландау) только начинается.

 Использование микрочастиц для визуализации плазменных течений. Это еще одно интересное направление, где применяются вращающиеся электрические поля (аналогично методу «вращающихся стенок», используемому в ионных кристаллах). Данное явление определяется интересной и достаточно сложной комбинацией различных физических процессов.

«Пылевая» или «комплексная» плазма состоит из слабоионизированного газа и заряженных микрочастиц. Пылевая плазма повсеместно распространена в космосе – заряженная пыль присутствует в планетарных кольцах, в хвостах комет и межзвездных облаках, в мезосфере и грозовых облаках, ее можно обнаружить в окрестности искусственных спутников. Наличие пыли является критическим фактором во многих важных промышленных процессах (в плазменном напылении, производстве микросхем и т.д., где образование и рост пыли происходит естественным образом) а также в термоядерном синтезе (где появление радиоактивной и токсичной пыли из-за взаимодействия плазмы со стенками реактора является серьезной конструкторской проблемой). Вместе с тем, плазма, содержащая микрочастицы, которые можно наблюдать, активно исследуется во многих лабораториях (и термин «комплексная плазма» используется для того, чтобы отличать подобные системы от пылевой плазмы существующей в естественных условиях). После почти ста лет исследований – первые наблюдения пылевой плазмы, произведенные Ленгмюром датируются 1924 годом – нынешний интерес к комплексной плазме возник в середине девяностых, после экспериментального открытия плазменных кристаллов.

Наличие заряженных микрочастиц играет существенную роль в коллективных процессах происходящих в комплексной плазме – возникают новые низкочастотные типы волн, соответствующие колебаниям микрочастиц на фоне квазиравновесных электронов и ионов, с характерными частотами в диапазоне 1-100 Гц. Однако, заряженные микрочастицы не только меняют зарядовый состав плазмы, но также приводят к появлению новых физических процессов в рассматриваемой системе, например – эффектов связанных с диссипацией и рекомбинацией плазмы на поверхности частиц, вариацией пылевого заряда, и т.д. Эти процессы обуславливают механизмы притока энергии в систему микрочастиц. По этой причине, свойства комплексной плазмы могут быть совершенно отличными от свойств обычной многокомпонентной плазмы.

Поскольку микрочастицы имеют очень большие заряды (обычно, порядка нескольких тысяч электронных зарядов для частиц микронного размера), электростатическая энергия их взаимодействия необычайно велика. Поэтому, в комплексной плазме можно наблюдать переход между газообразной и жидкой фазами, и формирование упорядоченных структур – плазменных кристаллов, как показано на рисунке. При этом, формой потенциала межчастичного взаимодействия можно управлять (контролируя внешние условия). Эти уникальные особенности выделяют комплексную плазму на фоне многих других типов плазмы, в которых ионные заряды малы, взаимодействие фиксировано, а его энергия относительно низка.

Газообразное (слева), жидкое (в середине), и кристаллическое (справа) состояние пылевой плазмы.

Сейчас, физика комплексной плазмы – это быстро развивающаяся область исследований, включающая в себя различные фундаментальные аспекты физики плазмы, классической физики жидкости и твердого тела, нелинейной физики, и т.д. Все больше научных групп начинают заниматься этими исследованиями, и количество научных публикаций растет экспоненциально. В этой лекции, я попытаюсь представить сбалансированную картину нынешнего состояния области, обсуждая некоторые наиболее важные экспериментальные и теоретические результаты, и расскажу о перспективах дальнейшего развития.

Наш новый Центр, который сейчас строится, должен быть готов к работе в начале 2013 года. Мы планируем проводить исследования в различных областях современной физики плазмы, а также химии и плазменной технологии. Главным принципом в работе Центра будет обеспечение естественного перехода от учебы к началу самостоятельных научных исследований.

Фазовая диаграмма, демонстрирующая различные типы плазмы, исследованиями которых планируется заниматься в Центре.

Лаборатории. Будут созданы следующие лаборатории:

Лаборатория комплексной плазмы (исследования на Земле и в космосе). Будут проводиться исследования сильно-коррелированных систем заряженных микрочастиц, позволяющие изучать классические «атомарные» процессы в конденсированных средах.

Лаборатория плазменных источников и технологии плазменных покрытий. Будут вестись разработки новых плазменных инструментов на базе дуговых и магнетронных систем, и создаваться ионно-плазменные технологии для модификации поверхности деталей.

Лаборатория новых материалов. Основными целями являются разработки многослойных поликристаллических и монокристаллических структур, новых материалов с фуллереновым наполнением, а также ионно-плазменное сопровождение процесса эпитаксии полупроводниковых материалов.

 Образовательная работа. Будут читаться лекции по различным направлениям исследований комплексной плазмы, проводиться лабораторные работы (включая эксперименты на борту Международной Космической Станции) и семинары.

Научная работа. Будут обеспечены возможности для проведения исследований на различных уровнях, начиная от дипломных работ и заканчивая работой постдока, по следующим направлениям:

Комплексная плазма. Экспериментальные и теоретические исследования универсальных фундаментальных процессов происходящих в жидкостях и твердых телах на уровне отдельных частиц.

Плазменные источники и технологии плазменных покрытий. Исследование процессов генерации и ускорения плазмы в промышленных установках, моделирование плазменного синтеза нанопорошков.

Новые материалы. Изучение физики межслойного диффузионного взаимодействия твердых материалов, разработка физико-технических основ диагностики многослойных тонкопленочных  структур.

 Кооперация и сотрудничество. Благодаря многочисленным международным контактам, будут обеспечены возможности для проведения дальнейших исследований в других странах.